電子設(shè)備及其中的組件逐年變小。這是由消費(fèi)者對(duì)具有相同功能和性能的更小設(shè)備的需求推動(dòng)的,如果不是更好的話,比先前存在的“更笨重”的技術(shù)。在這里,我們將更詳細(xì)地探討納米電子學(xué)如何不僅縮小電子設(shè)備的尺寸,而且提供相同或增強(qiáng)的性能。
納米電子學(xué)導(dǎo)論
傳統(tǒng)材料在達(dá)到無(wú)法再變小的地步之前只能走這么遠(yuǎn)。這就是納米技術(shù)的用武之地,并使納米電子學(xué)領(lǐng)域得以出現(xiàn)——這是使用納米材料制造的電子元件,其尺寸僅為傳統(tǒng)“大塊”材料制成的元件的一小部分。納米電子設(shè)備的一個(gè)例子是基于石墨烯的電池。這是一種使用納米材料的大容量設(shè)備,但與鋰離子 (Li-ion) 電池相比,它可以擁有高達(dá) 5-6 倍的能量密度,并且仍然小于鋰離子電池。另一個(gè)例子——純粹關(guān)注納米尺寸的電子元件——是由碳納米管制成的晶體管。
使用納米材料——即尺寸在 1 到 100 納米之間的材料——具有許多優(yōu)勢(shì)。納米材料不僅本身很小(通常很薄),有助于縮小設(shè)備組件的尺寸(有助于減小設(shè)備本身的尺寸),而且它們通常非常高效。由于尺寸小,它們具有非常高的相對(duì)表面積,這在許多情況下非常活躍——活性表面的最好例子是石墨烯。石墨烯的表面與其周圍環(huán)境的相互作用非常強(qiáng)烈,無(wú)論是通過(guò)表面之間的電子傳導(dǎo),還是通過(guò)傳感機(jī)制中與環(huán)境刺激/分子的相互作用,等等。
大多數(shù)納米電子設(shè)備都是使用二維材料或半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的,這些都是非常活躍的材料。由于這些特性,納米材料可以提供與傳統(tǒng)組件中使用的散裝材料一樣高(如果不是更高的話)的電效率,但額外的好處是體積小得多。對(duì)于導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米材料尤其如此,它們通常具有電導(dǎo)率和電荷載流子遷移率——在半導(dǎo)體的情況下更有效的結(jié)——比塊狀材料高得多。此外,許多納米材料天生就對(duì)高溫、高壓和化學(xué)品穩(wěn)定,根據(jù)所討論的組件,這些通常是必需的——當(dāng)設(shè)備變熱時(shí),熱穩(wěn)定性非常重要。
但不僅僅是導(dǎo)電納米材料是有效的。雖然導(dǎo)電納米材料最受關(guān)注,但也有許多電絕緣納米材料對(duì)于保護(hù)納米電子設(shè)備的某些區(qū)域同樣重要。事實(shí)上,在某些情況下,由將導(dǎo)電納米材料層夾在兩個(gè)絕緣納米材料層之間組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)效果更好,因?yàn)榭梢愿玫匾龑?dǎo)導(dǎo)電性以及隨后的電流(這會(huì)導(dǎo)致較低的電能損失)。納米材料的其他特性包括它們實(shí)現(xiàn)和利用量子現(xiàn)象的能力,這可以導(dǎo)致更有效的電子電流,因?yàn)楫?dāng)電子在量子限制區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電阻。這些現(xiàn)象也是有望成為下一代技術(shù)(即量子技術(shù))的基石。因此,可以使用的材料范圍很廣,具有不同的特性。
除了性能優(yōu)勢(shì)外,納米材料的制造方式還有助于開(kāi)發(fā)更小的組件。大多數(shù)非納米材料組件必須使用自上而下的方法制造,即將較大的材料分解成較小的結(jié)構(gòu)。但是,如果要保持結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性,你可以做到多小是有限制的,尤其是當(dāng)它是一個(gè)復(fù)雜的架構(gòu)時(shí)。納米材料也可以通過(guò)這種方式制造,但是如果你想要結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確、純凈且非常小的納米材料,那么可以使用自下而上的方法制造它們,這是一個(gè)原子一個(gè)原子地制造納米材料的過(guò)程。這是一種更加可控的方法,可以減小組件的尺寸,而活性納米材料是純凈的,并且在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)以適合其特定應(yīng)用。
納米電子學(xué)范圍
那么,什么屬于納米電子學(xué)的范圍呢?除了是電子學(xué)的較小版本之外,它還涵蓋從納米級(jí)組件到量子技術(shù)、自旋電子學(xué)和分子電子學(xué)(即單分子電子學(xué))的所有內(nèi)容。就納米電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)存在的實(shí)際單個(gè)組件而言,有很多,因?yàn)榧{米電子學(xué)涵蓋了從能量存儲(chǔ)和能量生成系統(tǒng)到晶體管、柔性和可印刷電路、開(kāi)關(guān)、光電探測(cè)器、傳感器、顯示器、存儲(chǔ)器等一切事物存儲(chǔ)系統(tǒng)、納米級(jí)無(wú)線電發(fā)射器和量子設(shè)備——以及介于兩者之間的更多組件,這些只是最引人注目的組件。
所有這些設(shè)備均由不同的納米材料組成,并且根據(jù)所需的效率、制造難易程度和成本,可以使用截然不同的納米材料制造相同的組件。可以肯定地說(shuō),納米電子學(xué)利用了大多數(shù)納米材料形式,從二維材料和其他薄膜層到納米管、富勒烯、納米線、納米粒子和量子點(diǎn)。
結(jié)論
納米電子學(xué)領(lǐng)域近年來(lái)一直在緩慢發(fā)展,是對(duì)電子產(chǎn)品越來(lái)越小但仍保持高性能的日益增長(zhǎng)的需求的答案。基于納米材料的組件可以比傳統(tǒng)的大體積材料制成的組件小得多,這有助于減小電子設(shè)備的整體尺寸。此外,許多納米材料在大多數(shù)環(huán)境中都是穩(wěn)定的,無(wú)論是在惡劣的化學(xué)處理環(huán)境中的傳感器中,還是在向內(nèi)部組件釋放大量余熱的電子設(shè)備中。雖然納米電子學(xué)有很多領(lǐng)域,但一些更廣泛研究的系統(tǒng)包括受納米材料啟發(fā)的能量存儲(chǔ)和能量生成系統(tǒng)、各種類型的納米尺寸和分子晶體管、光電器件、和柔性/可印刷電路——納米材料通常被配制成墨水并印刷。如果能夠在商業(yè)層面實(shí)現(xiàn),未來(lái)的應(yīng)用很可能包括各種量子技術(shù),我們很可能會(huì)看到用于經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)和日常技術(shù)的更小組件的生產(chǎn)有所增加。
利亞姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一位作家、記者和傳播者,專門研究化學(xué)和納米技術(shù),以及分子水平的基本原理如何應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。利亞姆最出名的可能是他的信息豐富的方法以及向科學(xué)家和非科學(xué)家解釋復(fù)雜的科學(xué)主題。Liam 在與化學(xué)和納米技術(shù)交叉的各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)表了 350 多篇文章。
Liam 是歐洲納米技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì) (NIA) 的高級(jí)科學(xué)傳播官,過(guò)去幾年一直在為全球的公司、協(xié)會(huì)和媒體網(wǎng)站撰稿。在成為一名作家之前,利亞姆完成了化學(xué)與納米技術(shù)和化學(xué)工程的碩士學(xué)位。
除了寫作之外,利亞姆還是美國(guó)國(guó)家石墨烯協(xié)會(huì) (NGA)、全球組織納米技術(shù)世界網(wǎng)絡(luò) (NWN) 的顧問(wèn)委員會(huì)成員,以及英國(guó)科學(xué)慈善機(jī)構(gòu) GlamSci 的董事會(huì)成員。Liam 還是英國(guó)納米醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì) (BSNM) 和國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì) (IAAM) 的成員,以及多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的同行評(píng)審員。
審核編輯黃宇
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